ТЕГИ
Углеродные нанотрубки получение синтез нанотрубок в глобальном рынке
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой — углеродные нанотрубки синтез и получение нанотрубок в глобальном рынке
Рынок углеродных нанотрубок к концу 2010 года достигнет 167 миллионов долларов
По оценкам BCC Research объем глобального рынка углеродных нанотрубок в 2009 году составил 104 миллиона долларов, а к концу 2010 достигнет 167 миллионов долларов
Углеродные нанотрубки, получение углеродных нанотрубок
Группа предсказывает, что среднегодовой рост рынка составит 58,9%, а его объем к 2015 году достигнет почти 1,1 миллиарда долларов. Многостенные трубки, используемые в качестве добавки для полимеров, занимают практически весь рынок и объем их продаж в 2010 достигнет 161 миллиона долларов. К 2015 эта цифра достигнет 866 миллионов, считают в BCC. Однако рынок одностенных трубок также начнет расти; его объем увеличится с 250000 долларов до 125 миллионов к 2015.
В BCC заявляют: Среди других секторов в этой развивающейся области синтезированных наноматериалов, углеродные нанотрубки являются самым динамичным сектором, который развивается с максимальной скоростью. Согласно заявлениям, теперь производители могут поставлять эти материалы в коммерческих масштабах – килограммами, тоннами и даже сотнями тонн, в зависимости от марки – по более приемлемым ценам.
На рынке полимеров спрос на углеродные нанотрубки обусловлен возможностями снижения веса и повышения прочности, и отличной электропроводимостью, которые могут предоставить эти материалы. Углеродные нанотрубки могут использоваться в автомобилестроении, спортивном оборудовании и ветряных турбинах.
Battenfeld Extrusionstechnik обновила компоненты линии компании MLP
Компания MLP полностью удовлетворена компонентами оборудования и технической поддержкой, предоставленными Battenfeld Extrusionstechnik
Salzgitter Mannesmann Line Pipe (MLP) специализируется на производстве стальных труб с полимерным покрытием, для таких сфер применения, где предъявляются высокие требования к качеству, например для разработки нефтяных месторождений. Задание которое мы дали компании Battenfeld Extrusionstechnik, заключавшееся в замене старого недостаточно эффективного оборудования новыми компонентами без проведения каких бы то ни было структцрных изменения здания, было непростым, – комментирует Рене Рихтер, менеджер провизводства MLP. – Тем не менее компания справилась превосходно.
Battenfeld Extrusionstechnik установила два одношнековых экструдера для переработки полиолефинов, каждый из которых был оснащен шнеком диаметром 150 мм с длиной перерабатывающей секции в 30 диаметров и максимальной произовдительностью 1500 кг/ч. Чтобы экструдеры уместились в ограниченном пространстве, они были расположены в виде буквы V и были соединены коротким каналом расплава и оборудованы высокомощными приводами, расположенными на боковоых сторонах, в качестве индивидуального решения.
Синтез и производство углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.
Применение углеродных нанотрубок и свойства углеродных нанотрубок
Важной особенностью применение углеродных нанотрубок и свойства углеродных нанотрубок. Основные свойства
Классификация нанотрубок
ля получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.
Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проиллюстрировано на рисунке справа.
По значению параметров (n, m) различают:
— прямые (ахиральные) нанотрубки
«кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m
зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0
— спиральные (хиральные) нанотрубки
При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.
Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если 2m+n, делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло». Более подробно см. раздел про электронные свойства нанотрубок.
Однослойные и многослойные нанотрубки
Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки» (russian dolls)).
Открытие углеродные нанотрубки фуллерен
Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смоли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. , существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.
Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др. , вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости
Структурные свойства
— упругие свойства; дефекты при превышении критической нагрузки:
— в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.
Открытые — закрытые нанотрубки
Электронные свойства нанотрубок
Электронные свойства графитовой плоскости
— Обратная решётка, первая зона Бриллюэна
Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.
— Спектр в приближении сильной связи (См. более подробно Графен)
Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости kx, ky.
— Дираковские точки ( Графен)
Дираковские точки в периодически продолженном за пределы первой зоны Бриллюэна спектре графитовой плоскости
Графит — полуметалл, что видно невооружённым глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т.о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.
Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы, подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.
— SU(4) симметрия
Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку
— граничные условия Борна-Кармана
— Эффективное уравнение Дирака
— Металлические и полупроводниковые трубки
— Поведение спектра при приложении продольного магнитного поля
Учёт взаимодействия электронов
— Бозонизация
— Латтинжеровская жидкость
— Разделение спина и заряда
— Экспериментальный статус
Сверхпроводимость в нанотрубках
— Экспериментальный статус
Сверхпроводимость углеродных нанотрубок открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:
— отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм;
— свёрнутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок;
— также индивидуальных многослойных нанотрубок.
При температуре, близкой к 4К, между двумя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обычных трёхмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным характером переноса (как, например, квантование сопротивления R: см. статью, опубликованной в Science ).
— Теория
Экситоны и биэкситоны в нанотрубках
Оптические свойства нанотрубок
Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трём) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.
Свойства интеркалированных нанотрубок
Возможные применения нанотрубок
— Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
— Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
— Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках
— Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
— Оптические применения: дисплеи, светодиоды
— Медицина (в стадии активной разработки)
— Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
— Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.
— Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные
Получение углеродных нанотрубок
В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.
Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.
Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1 : 4 при температуре 750?C в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки — дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.
Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.
Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.
Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.
